Manual caldeiras

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Tipos de Caldeiras, isolamento térmicos e características sobre cogeração

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Manual caldeiras

  1. 1. 1 Manual de Administração de Energia GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO SECRETARIA DE ENERGIA Coordenadoria de Planejamento e Política Energética Rua Bela Cintra, 847 – 10o andar CEP 01415-000 – São Paulo – SP Telefones: 55 11 3138-7412 / 55 11 3138-7545 www.energia.sp.gov.br Revisão: Agência para Conservação de Energia Fones: 11 289.9699 / 11 289.9095 Fax: 11 289.9045 ace@energiaracional.com.br
  2. 2. Manual de Administração de Energia 2 1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................3 2 CALDEIRAS.............................................................................................................4 2.1. CALDEIRAS ELÉTRICAS...............................................................................................4 2.2. CALDEIRAS A COMBUSTÍVEIS ........................................................................................5 2.2.1 Caldeiras Aquatubulares ...........................................................................................5 2.2.2 Caldeiras Flamotubulares ..........................................................................................5 2.2.3 Estrutura de uma Caldeira ........................................................................................5 2.2.4 Poluição do ar .......................................................................................................6 2.2.5 Economia de Energia nas Caldeiras ..............................................................................7 2.2.5.1 Regulagem a Combustão ........................................................................................7 2.2.5.2 Controle da Fuligem e das Incrustações ......................................................................7 2.2.5.3 Monitoração da Eficiência da Caldeira .......................................................................8 2.2.5.4 Redução das Perdas de Calor ...................................................................................9 2.2.5.5 Ponto de Operação da Caldeira ................................................................................9 3 ISOLAMENTO TÉRMICO ............................................................................................ 10 4 COGERAÇÃO......................................................................................................... 16 4.1. Definição ............................................................................................................ 16 4.2. Viabilização da Cogeração na Indústria ........................................................................ 16 4.3. Principais Atrativos da Cogeração na Indústria ............................................................... 16 4.3.1 Para o Usuário da Cogeração: .................................................................................. 16 4.3.2 Para o meio ambiente ........................................................................................... 16 4.4. Equipamentos Utilizados em Instalações de Cogeração ..................................................... 17 4.4.1 Equipamentos de Transformação de Energia Térmica ..................................................... 17 4.4.2 Motores Alternativos de Combustão Interna ................................................................. 17 4.5.3 Turbinas a Vapor .................................................................................................. 18 4.4.4 A turbina a Gás .................................................................................................... 18 4.4.5 Equipamentos de Produção de Frio ............................................................................ 19 4.4.6 Caldeiras e Equipamentos de Transferência de Energia Térmica ........................................ 20 4.4.6.1 Caldeiras para Queima de Combustíveis e Produção de Vapor ......................................... 20 4.4.6.2 Caldeira de Recuperação de Calor........................................................................... 20 4.4.6.3 Trocadores de Calor............................................................................................ 20 4.4.6.4 Equipamentos Auxiliares ...................................................................................... 20 4.4.6.5 Alternador ....................................................................................................... 21 4.5. Tipos de Cogeração ................................................................................................ 21 4.6. Ciclos de Cogeração ............................................................................................... 21 4.7. Ciclo de Cogeração com Turbinas a Vapor ..................................................................... 21 4.8. Ciclos de Cogeração com Turbinas a Gás ...................................................................... 22 4.8.1 Energia na exaustão das turbinas a gás ...................................................................... 22 4.8.2 Cogeração com Turbina a Gás .................................................................................. 22 4.8.3 Geração Elétrica com Ciclo Combinado ....................................................................... 23 4.8.4 Cogeração com Ciclo Combinado .............................................................................. 23 4.9. Ciclos de Cogeração com Motores Alternativos de Combustão Interna ................................... 24 4.10. Ciclos de Cogeração com Produção de Frio .................................................................. 25 4.11. O Potencial de Cogeração ....................................................................................... 26 4.12. As Receitas da Cogeração ....................................................................................... 26 4.13. Conclusão........................................................................................................... 26 SUMÁRIO
  3. 3. 3 Manual de Administração de Energia 1.INTRODUÇÃO Este é o terceiro fascículo da série “Manuais de Administração de Energia” reeditada pela Secretaria de Energia. Seu conteúdo simples e didático aborda os temas: Caldeiras, Isolamento Térmico e Cogeração. Trata-se de mais uma publicação voltada ao uso eficiente de energia enfocando principalmente os aspectos relacionados à energia térmica, utilizada amplamente nos processos industriais e também em outros setores como o comercial e de serviços. Constitui-se por isso em mais um instrumento útil na busca da redução de custos e também do aumento da competitividade. Boa leitura!
  4. 4. Manual de Administração de Energia 4 As caldeiras industriais empregadas na produção de vapor de água ou aquecimento de fluidos térmicos e os sistemas associados de condução e transferência de calor podem apresentar desperdícios e elevadas perdas de energia, se não tiverem sido adequadamente dimensionados e se a operação e a manutenção não forem praticadas de acordo com certos critérios e cuidados. As caldeiras são muito utilizadas na indústria e, em geral, os custos dos combustíveis representam uma parcela significativa da conta dos insumos energéticos. As instalações das caldeiras e de seus sistemas associados devem ser abordadas no âmbito de qualquer programa de conservação e uso racional de energia. Quase sempre são detectadas oportunidades de redução de consumo e melhorias de processos. A redução dos desperdícios e as melhorias de processo podem contribuir para a redução dos custos de produção industrial. Segundo a fonte energética utilizada, as caldeiras podem ser dividias em dois grupos: caldeiras elétricas e caldeiras a combustíveis. 2.1. Caldeiras elétricas As caldeiras elétricas foram muito utilizadas em uma época em que havia excesso de oferta de energia elétrica de origem hidráulica, quando foram estabelecidos incentivos tarifários para seu uso. São equipamentos de concepção bastante simples, sendo compostos basicamente por um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências. As caldeiras elétricas são fáceis de usar e de automatizar. A eficiência da transformação da energia elétrica em vapor é sempre muita elevada, da ordem 95-98%, podendo atingir 99,5% em casos especiais. As caldeiras elétricas mais comuns, utilizam um dos dois processos de aquecimento: resistores ou eletrodos. Nas caldeiras com resistores, a água é aquecida através de resistências elétricas blindadas imersas diretamente no líquido. A quantidade de energia elétrica requerida para vaporizar a água é: η )(* hehsm Q − = Q = quantidade de calor requerido, em (kJ/kg); hs= entalpia do vapor à temperatura e pressão desejadas (kJ/kg); he=entalpia da água de alimentação da caldeira (kJ/kg); m=massa (kg) =eficiência da transformação (>95%)η , onde Existem dois tipos básicos de caldeiras por eletrodo: · Caldeira de Eletrodo Submerso; e · Caldeira de Jato de Água. Em ambos os tipos o aquecimento da água é obtido pela passagem da corrente elétrica diretamente através da água, que se aquece por efeito Joule 2. CALDEIRAS
  5. 5. 5 Manual de Administração de Energia 2.2 Caldeiras a combustíveis As caldeiras que produzem vapor pela queima de combustíveis podem ser classificadas em dois grandes grupos: · Caldeiras aquatubulares; · Caldeiras flamotubulares. 2.2.1 Caldeiras aquatubulares Nas caldeiras aquatubulares a água a ser aquecida passa no interior de tubos que por sua vez são envolvidos pelos gases de combustão. Os tubos podem estar organizados em feixes como nos trocadores de calor e as caldeiras que os contém apresentam a forma de um corpo cilíndrico ou em paredes de água como nas caldeiras maiores. Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente. Apresenta, porém, algumas vantagens, entre elas a maior capacidade de produção de vapor por unidade de área de troca de calor e a possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450 o C e pressões acima de 60 kgf/cm2 . A partida deste tipo de caldeira é relativamente rápida, em razão do volume reduzido de água que ela contém. A limpeza dos tubos é mais simples que a flamotubular e pode ser feito automaticamente através de sopradores de fuligem e. A vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos. 2.2.2 Caldeiras flamotubulares Nas caldeiras flamotubulares (ou pirotubulares) os gases quentes da combustão circulam no interior de tubos que atravessam o reservatório de água a ser aquecida para produzir vapor. Esse tipo de caldeira, geralmente de pequeno porte, apresenta baixa eficiência e é utilizada apenas para pressões reduzidas. Ainda é muito utilizada em razão do seu baixo valor de investimento comparado com as caldeiras aquatubulares, e da facilidade de manutenção. Utiliza qualquer tipo de combustível, líquido, sólido ou gasoso. É muito comum o seu uso com óleo e gás. 2.2.3 Estrutura de uma caldeira A caldeira é constituída por três partes principais: • câmara de combustão, ou fornalha, onde o combustível é queimado; • câmara de água, que contém a água a ser aquecida; O custo de operação de uma caldeira é muito elevado em razão do custo da energia elétrica. Assim, embora as caldeiras elétricas sejam equipamentos de alta eficiência, deverá ser analisada a viabilidade da sua troca por outro equipamento utilizando outros insumos energéticos.
  6. 6. Manual de Administração de Energia 6 Monóxido de Carbono (CO) Gás tóxico, incolor e inodoro, resultante da queima incompleta do carbono Óxidos de enxofre (SO2 e SO3) Formados pela oxidação do enxofre; reagem na atmosfera produzindo ácido sulfúrico Óxidos de nitrogênio (NOX) Gases formados pelo nitrogênio; são irritantes, participando da formação de azoto na atmosfera Fumaça Materiais sólidos e gasosos produzidos pela queima incompleta do combustível, apresentando cor variável entre o cinza claro e o preto Particulados Partículas sólidas de carbono e óleo parcialmente queimados Hidrocarbonetos Combustível parcialmente queimado Tabela 1 - Emissões de uma caldeira • câmara de vapor, situada acima do nível d’água, e que recebe vapor formado. As caldeiras eficientes geralmente são de três passes, isto é, os gases quentes são obrigados a cruzar por três vezes o feixe de tubos que conduzem a água a ser aquecida. A distribuição de fluxo se dá na câmara de reversão. A temperatura dos gases na câmara de reversão atinge valores próximos a 1.000 o C. Atualmente dá- se preferência para as caldeiras conhecidas como “de fundo úmido”, isto é, nas quais a câmara de reversão é montada no interior do corpo da caldeira. Esta disposição aumenta a eficiência da caldeira, embora o seu custo inicial se torne mais elevado. Devido ao maior volume de água que envolve os tubos, a sua partida é mais lenta do que nas caldeiras aquatubulares. A limpeza dos tubos exige a parada da caldeira e deve ser executada manualmente. A expectativa de vida útil deste tipo de caldeira é de cerca de 15 anos. 2.2.4 Poluição do ar A redução do custo de operação de uma caldeira através da redução do consumo de combustível traz como conseqüência, melhoria da qualidade do ar, em razão da redução da quantidade de poluentes emitidos. A queima de um combustível produz gás carbônico e água e as seguintes emissões gasosas que são poluentes:
  7. 7. 7 Manual de Administração de Energia Os poluentes emitidos pelas caldeiras dependem, fundamente, do tipo de óleo queimado, das características das caldeiras e das condições de operação e do estado de manutenção dos equipamentos. Melhorando-se a eficiência e diminuindo-se a emissão de poluentes economiza-se também no consumo das reagentes necessários à lavagem dos gases para mantê-los dentro dos padrões exigidos pela legislação. 2.2.5 Economia de energia nas caldeiras Algumas medidas de economia de energia são fáceis de serem executadas sem que sejam necessárias intervenções significativas nas instalações das caldeiras. Como primeiras providências para promoção de economia de energia, deve-se executar as seguintes medidas: 2.2.5.1 Regulagem da combustão Ajustar o ar de combustão para a combustão mais econômica. Na câmara de combustão, o combustível é misturado com o ar para promover a sua queima. Deve-se utilizar a menor quantidade possível de ar para combustão, em geral um pouco mais que a quantidade suficiente para a reação estequiométrica da combustão. Excesso de ar reduz a eficiência da caldeira. Quando é queimado o óleo combustível usa-se o atomizador que é um dispositivo que melhora a mistura do óleo com o ar e o injetá-lo no interior da câmara de combustão. O controle da quantidade de ar a ser injetado na câmara de combustão é feito geralmente através da medição da percentagem de CO2 (dióxido de carbono) e O2 (oxigênio) remanescente nos gases, coletados na chaminé. A boa combustão depende da operação correta do queimador, do seu ajuste e de uma manutenção adequada. Na utilização de óleos mais densos, a operação correta da atomização pode se constituir no principal item para a obtenção de uma combustão eficiente. É fundamental controlar a vazão, a pressão e a temperatura do óleo, que melhor atenda às características do combustível e do queimador empregado. 2.2.5.2 Controle da fuligem e das incrustações Temperatura elevada na chaminé da caldeira significa maiores perdas através dos gases de exaustão. O acúmulo de fuligem no circuito dos gases forma uma barreira isolante que prejudica a troca térmica, reduzindo a eficiência e pode ser detectada pelo aumento da temperatura na chaminé. Para reduzir a fuligem deve-se ajustar o ar de combustão e utilizar aditivos especiais quando o combustível utilizado for o óleo pesado. A fuligem pode ser removida por meios manuais e com o uso de produtos químicos. A formação de incrustações, do lado da água, estabelece uma segunda barreira isolante reduzindo a troca de calor entre o gás e a água. Além de reduzir a eficiência, aumenta o risco de degradação das superfícies de troca, reduzindo a vida útil da caldeira.
  8. 8. Manual de Administração de Energia 8 As incrustações podem ser detectadas através de inspeção visual. Pode ser notado, também, pela deterioração das características de operação da caldeira, tais como redução na produção de vapor, aumento do consumo de combustível e elevação da temperatura dos gases na chaminé. Aumento na temperatura de exaustão é o sinal da necessidade de limpeza e desincrustação da caldeira. A necessidade de desincrustação indica que o tratamento da água de alimentação pode não estar correta. O bom tratamento da água melhora as trocas térmicas, posterga ou mesmo evita a necessidade de lavagens químicas e mecânicas da caldeira, reduz a oxidação do material, reduz a freqüência das purgas, e contribui para produção de vapor mais seco. 2.2.5.3 Monitoração da eficiência da caldeira As principais causas das perdas de energia em caldeiras são as elevadas temperaturas de exaustão na chaminé e a combustão incompleta. Podem ser detectadas através da análise do teor de CO2 e da temperatura nos gases de exaustão. Estes dois parâmetros podem ser aceitos,também, como indicadores da eficiência da caldeira. Para efeitos práticos e para os tipos de caldeiras mais comuns, o percentual de C02 contido na chaminé deve-se situar em uma faixa entre 11,0 e 13,5%. Esses valores podem variar um pouco de acordo com os tipos de caldeira, de queimador e de combustível. Procura-se manter o teor de CO2 mais elevado possível sem que provoque emissão de fumaça densa na chaminé. O aumento do teor de C02 exige redução do excesso de ar de combustão. Por sua vez, a redução do ar de combustão pode provocar um aumento da emissão de C0 (monóxido de carbono), aumento de particulados e enegrecimento da fumaça. O ponto ótimo de operação será um compromisso entre a eficiência e as emissões. A caldeira mais eficiente apresentará menor temperatura dos gases na saída da chaminé. As caldeiras mais eficientes são construídas com dispositivos internos (por exemplo economizadores e pré-aquecedores de ar) que permitem a o maior aproveitamento da energia residual dos gases. Se o combustível contiver enxofre, a temperatura máxima de exaustão será limitada à temperatura de formação de ácido sulfúrico. São comuns caldeiras flamotubulares com temperaturas na chaminé da ordem de 200 o C. Nas caldeiras aquatubulares, normalmente, esta temperatura não é alcançada. Muitas vezes é possível reaproveitar o calor perdido na chaminé. instalando-se pré-aquecedores de água (economizadores). Com esta instalação pode-se poupar, em média, cerca de 1% de combustível para cada 6 o C de aumento da temperatura da água de alimentação da caldeira. Com a instalação de pré-aquecedores de ar de combustão obtém-se, em média, 1% de economia de combustível, para cada 22 o C de aumento da temperatura do ar. A tiragem dos gases da chaminé é outro fator que merece atenção. Obtém-se queima constante quando a tiragem na chaminé permanece constante. Se a tiragem for insuficiente, os gases de combustão demoram a deixar a abandonar a câmara de combustão e podem surgir pulsações. Se a tiragem for excessiva, a câmara será resfriada e o ar rouba energia sem prover a troca de calor com a água a ser evaporada, e os gases de saída aumentam a sua temperatura. É importante dispor de equipamentos que permitam monitorar a operação da caldeira e a atuação sobre os parâmetros da combustão. Esta atuação proporcionará maior eficiência na caldeira. Devem ser utilizados os seguintes equipamentos de controle e monitoração:
  9. 9. 9 Manual de Administração de Energia • analisador dos gases de combustão, com indicação de no mínimo teor de CO2 e, eventualmente, de O2 ; • termômetro para controle das temperaturas dos gases de saída (na faixa de 100 a 500 o C); • aparelhos de medição do índice de enegrecimento dos gases de escape (fuligem); • manômetro para a medição da depressão na chaminé (tiragem). 2.2.5.4 Redução das perdas de calor As caldeiras, como qualquer outro equipamento térmico perde calor para o meio ambiente. Para manter a eficiência é necessário limitar estas perdas. Recomenda-se verificar periodicamente e estanqueidade do corpo da caldeira e as aberturas em torno dos queimadores e dos visores da câmara de combustão. Na manutenção deve-se eliminar todas as perdas de calor e vazamentos de água quente e de vapor e refazer os isolamentos térmicos do vaso e de todos os circuitos que contenham fluidos quentes. 2.2.5.5 Ponto de operação da caldeira Geralmente as caldeiras apresentem eficiência máxima quando em operação entre 80% a 90% da sua capacidade nominal. Operar acima destas condições pode comprometer a vida útil do equipamento. Por outro lado, ao operar muito abaixo dos 80%, permanecendo fixas as perdas das trocas de calor, a energia necessária para motorizar a tiragem e outros serviços da caldeira, reduz a eficiência global da caldeira. A condição de operação a cargas reduzidas dos queimadores pode, também, contribuir para esta redução de eficiência. Sempre que possível, deve-se evitar essa zona de funcionamento, atuando sobre a quantidade de caldeiras em operação para atender às necessidades do momento.
  10. 10. Manual de Administração de Energia 10 3 ISOLAMENTO TÉRMICO Os sistemas que produzem, transportam ou utilizam energia térmica (calor ou frio) apresentam perdas de calor devidas aos fenômenos físicos de condução, convecção e radiação. Nas aplicações industriais mais comuns, a maior parte das perdas ocorre na condução do calor através das paredes dos equipamentos, tubulações e acessórios. Por isto serão abordados somente estes tipos de perda. Aplica-se isolamento térmico a equipamentos, tubulações e acessórios para reduzir as perdas de calor, manter as temperaturas requeridas nos processo e para fins de segurança pessoal. Em geral, face às economias que representam a eficiência do isolamento é um item importante na redução dos custos da energia térmica e da elétrica se for este o insumo para produção do calor. Em geral os custos de melhoria do isolamento térmico são relativamente baixos e representa um bom retorno econômico para os recursos investidos. A função básica do isolamento térmico é retardar. o fluxo de energia térmica não desejada, seja para dentro ou para fora do equipamento considerado. A eficiência do isolamento térmico é medida através de uma propriedade denominada condutibilidade térmica.Condutibilidade térmica, designada pela letra k pode ser expresso em Kcal/h.m.o C, significa a quantidade de calor que atravessa um cubo com um metro de lado no período de uma hora, quando há uma diferença de temperatura de 1 o C entre as faces opostas. Cada material possui um valor típico de k. Os materiais com baixos valores de k são aqueles que apresentam baixa condutibilidade térmica, e, portanto são bons isolantes térmicos. O k é uma função da temperatura, e seu valor está associado a uma determinada faixa de temperaturas. Em geral, os materiais apresentam valores de k maiores à medida que a temperatura aumenta, como pode ser observado na tabela a seguir:
  11. 11. 11 Manual de Administração de Energia Para avaliar o potencial de economia que pode ser obtido através do redimensionamento do isolamento térmico, adote o seguinte roteiro: • Faça um levantamento dos principais sistemas ou processos que utilizem energia térmica na indústria incluindo os equipamentos, transporte e armazenamento do calor. • Meça as temperaturas t1 , do interior e t2 do ambiente externo para cada um dos equipamentos, acessório ou tubulação. • Se os mesmos possuírem isolamento térmico, meça a espessura (e), identifique o material utilizado e o respectivo coeficiente de condutibilidade térmica (k), de acordo com a temperatura. Assuma os valores médios apresentados na tabela, na falta de dados melhores de (k). Quando o isolamento for constituído por várias camadas isolantes, considere o k de cada uma das camadas e as respectivas espessuras. Coeficientes de Condutibilidade Térmica para Diversos Isolantes Térmicos Material isolante Temperatura máxima de utilização °C Temperatura de operação °C k (kcal/h.m.°C) Poliuretano 100 0 0,020 100 0,051 200 0,057 300 0,062 400 0,068 500 0,073 600 0,078 Silicato de Cálcio 650 650 0,080 100 0,033 200 0,041 300 0,047 400 0,056 Fibra de Vidro 550 550 0,075 100 0,035 200 0,041 300 0,048 400 0,057 500 0,066 600 0,077 700 0,089 Lã de Rocha 750 750 0,096 200 0,025 400 0,050 600 0,080 800 0,114 1.000 0,154 Fibra Cerâmica 1.400 1.200 0,198 Tabela 2 - Coeficientes de condutibilidade térmica
  12. 12. Manual de Administração de Energia 12 • A área considerada para as superfícies planas, é a exterior (S). No caso de equipamento com corpo cilíndrico, considere a área desenvolvida como uma superfície plana que irradia calor. Nos casos de equipamentos ou locais com superfícies com isolamentos diferentes, considerar cada uma das superfícies. • Para tubulações meça o diâmetro externo do tubo (d2 ) e o diâmetro externo do tubo mais o isolamento térmico (da ). Meça também o comprimento (l) das tubulações, em metros. • Para as instalações sem isolamento térmico obtenha nos gráficos (Ábaco de Wrede, figura 1 a seguir), em anexo, a correspondente perda de calor (q). • Determine as perdas Q1 , da seguinte forma: Superfícies planas: Q1 =q x S, onde: Q1 =perdas de calor (kcal/h) q=perdas de calor (kcal/h.m²) conforme gráfico S=área exterior do equipamento (m²) Tubulações: Q1 =q x L, onde: Q1 =perdas de calor (kcal/h.m) conforme gráfico q=perdas de calor (kcal/h.m) L=comprimento da tubulação (m) å − = K e ttS Q )( 21 1 Para tubulações: å − = K d d ttl Q a e ln )(2 21 1 π onde: • Para os equipamentos que possuem isolamento térmico determine as perdas de calor Q1 , utilizando as seguintes expressões: Superfícies planas: Q1 = perdas atuais de calor (kcal/h) k=coeficiente de condutibilidade térmica do isolante, em kcal/h.m.o C, à sua temperatura média:
  13. 13. 13 Manual de Administração de Energia Figura 1- Ábaco de Wrede 100 430 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 50 150 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 13000 DIÂM ETRO EXTERIOR DA TUBULAÇÃO EM METROS 0,032 0,038 0,04150,04750,0510,0570,06350,070 0,076 0,0890,095 0,1080,121 0,1230,140 0,150 0,191 0,216 0,241 0,2670,2920,3120,3430,3680,3940,420 Superfície plana Notas: 1- O ábaco de WREDE pode ser utilizado quando a temperatura ambiente é em torno de 20 C e qundo as paredes não sofrem ação de ventos relativamente fortes.o 2- Perdas de calor para tubulações em kcal/m.h 3- Perdas de calor para superfícies em kcal/m h2 Perdasdecalorparatubulaçõesousuperfícies Diferença de temperatura em Co
  14. 14. Manual de Administração de Energia 14 ( ) 2/21 tttm −= t1 = temperatura interna do equipamento ou da tubulação (o C) t2 = temperatura ambiente (o C) e = espessura do isolante (m) S = área externa de condução de calor (m2 ) L = comprimento da tubulação (m) de = diâmetro externo do tubo (m) da = diâmetro externo do tubo mais isolante térmico (m) Nota: Quando o isolamento térmico for composto por várias camadas de materiais diferentes considerar efeito de cada uma das camadas e tomar a somatória destes valores. • Para reduzir as perdas de calor pode-se trocar o isolamento por outro com menores perdas (com menor coeficiente de condutibilidade térmica), aumentar a espessura do isolamento ou pode-se adotar ambas as soluções simultaneamente. Escolha a alternativa mais adequada para seu caso. Sempre que possível, reduza o comprimento de tubulações, eliminando os trechos desnecessários, evitando, assim, desperdícios de energia. • Calcule as novas perdas Q² , utilizando as expressões anteriores. • Calcule a redução das perdas conseqüentes da melhoria do isolamento térmico através da expressão: R = Q1 – Q2 Onde: R = redução de perdas devido à melhoria do isolamento térmico (kcal/h) Q1 = perdas atuais do equipamento ou tubulação (kcal/h) Q2 = perdas do equipamento ou tubulação com o novo isolamento térmico (kcal/h) • Estime a duração média mensal de operação (h) do sistema que consome energia térmica. • Calcule o potencial de economia de energia (E) utilizando a seguinte expressão: E = R x h (kcal/mês) • O potencial energia térmica economizada, expressa em quantidade de combustível é determinada por: Ec = E/PCS, onde: Ec = Economia mensal de combustível, em kg/mês, ou litros/mês. E= Potencial de economia em kCal/mês PCS = Poder calorífico superior do combustível, em kCal/kg, ou kCal/litro.
  15. 15. 15 Manual de Administração de Energia • Se a energia térmica for proveniente da energia elétrica o potencial de economia será, expresso em kWh/ mês: EE= E/860, onde: EE = Economia mensal de energia elétrica, em kWh/mês; e 860 = Equivalente mecânico para conversão de kCal para kWh. A decisão e a aplicabilidade do redimensionamento do isolamento térmico é fundamentalmente econômica. Em princípio, o investimento feito deverá ser compensado pelo custo evitado no consumo dos insumos energéticos (combustível ou energia elétrica). Cada situação deve ser analisada separadamente, não havendo regra geral para recomendação de um tipo ou do outro de isolamento térmico.
  16. 16. Manual de Administração de Energia 16 4 COGERAÇÃO 4.1. Definição A cogeração, definida como o processo de transformação de energia térmica de um combustível em mais de uma forma de energia útil. As formas de energia útil mais freqüentes são a energia mecânica e a térmica. A energia mecânica pode ser utilizada diretamente no acionamento de equipamentos ou para geração de energia elétrica. A energia térmica é utilizada diretamente no atendimento das necessidades de calor para processos, ou indiretamente na produção de vapor ou na produção de frio. 4.2. Viabilização da cogeração na indústria Para que seja viável a implantação de cogeração em uma indústria, é necessário que: • A indústria seja consumidora das diferentes formas de energia cogerada (energia mecânica ou elétrica e de calor ou frio); • O custo da energia cogerada seja inferior à soma dos insumos energéticos adquiridos (energia elétrica mais combustível); • Existam garantias de suprimento de combustível; e • Não ocorram restrições ambientais à implantação do empreendimento. 4.3. Principais atrativos da cogeração na indústria Sendo viável a implantação do empreendimento, a cogeração pode apresentar os seguintes atrativos: 4.3.1 Para o usuário da cogeração: • Independência total ou parcial do sistema da concessionária de energia elétrica; • Dependendo do processo de cogeração, pode haver maior flexibilidade na escolha de insumos (combustíveis) regionais; • Possibilidade de redução do impacto ambiental, dependendo do combustível utilizado na cogeração; • Possibilidade de modular as cargas de acordo com suas necessidades, sem ter renegociar contratos de energia elétrica; • Maior independência energética e maior controle e gestão dos custos totais da energia; e • Maior eficiência energética global. 4.3.2 Para o Meio Ambiente • Redução da carga térmica rejeitada para o ambiente ao utilizar de forma mais eficiente a energia contida no combustível;
  17. 17. 17 Manual de Administração de Energia Figura 2 - Motores Alternativos Ciclo Diesel Figura 3 - Motores alternativos ciclo Oto • Postergação de ampliação de reservatórios de usinas hidroelétricas, ao substituir o insumo elétrico do sistema; e • Redução dos poluentes dos efluentes gasosos se o insumo da cogeração for um combustível mais limpo que o utilizado na produção do calor do processo. 4.4. Equipamentos utilizados em instalações de cogeração 4.4.1 Equipamentos de transformação de energia térmica São os equipamentos que transformam a energia térmica dos combustíveis em energia útil de acionamento. 4.4.2 Motores alternativos de combustão interna Os motores alternativos de combustão interna são máquinas que transformam a energia térmica de um combustível em energia mecânica através do acionamento de pistões confinados em cilindros. Os ciclos de operação mais comumente utilizados são o Diesel e Oto. Os dois ciclos são mostrados nas figuras seguintes:
  18. 18. Manual de Administração de Energia 18 4.4.4 A turbina a gás As turbinas a gás são equipamentos constituídos por compressor, câmara de combustão e a turbina de expansão. O ar comprimido é injetado na câmara de combustão fornecendo o oxigênio para a queima do combustível. Esta reação exotérmica à alta pressão, transfere a energia química do combustível para os gases, elevando sua temperatura. O gás resultante é expandido na turbina, de onde se extrai a energia mecânica para acionamento do compressor e da carga acoplada ao eixo. Nas turbinas usadas em aviões a jato, os gases quentes são exauridos através de bocais que transformam a energia dos gases em empuxo. Figura 5 - Turbina a gás e gerador de energia elétrica 4.5.3 Turbinas a vapor São máquinas que convertem a energia térmica do vapor em energia mecânica para acionamentos. Podem ser fabricadas sob uma extensa gama de configurações, para diversas pressões, diferentes números de estágios, de condensação, de extração simples e controlada, simples e múltiplas entradas, etc. São produzidas na faixa de potência desde poucos kW até pouco mais de 1.000 MW. A figura a seguir mostra alguns dos tipos de turbinas a vapor usualmente utilizadas em instalações de cogeração: Figura 4 - Tipos de turbinas a vapor
  19. 19. 19 Manual de Administração de Energia A carga acoplada ao eixo (ou eixos) da turbina, além do compressor de ar do conjunto, pode ser constituída por gerador de energia elétrica, bombas, compressores ou um eixo motor qualquer. As turbinas de pequena e média potência giram a rotações mais elevadas. Dependendo da carga, pode ser necessário inserir um redutor de velocidade entre a turbina e sua carga. Algumas turbinas possuem mais de um eixo: neste caso, cada eixo acionado por um conjunto de pás de turbina, gira a velocidade diferente. Por razões de limitação de temperatura suportável pelos materiais utilizados na construção das turbinas, a massa de ar injetada na câmara da combustão é muito superior à quantidade requerida para se estabelecer a reação estequiométrica da combustão. Assim, os gases de exaustão da turbina contém ainda uma quantidade significativa de oxigênio. Quanto mais elevada for a temperatura e a pressão dos gases na entrada do primeiro estágio da turbina, e quanto mais reduzida for a temperatura dos gases de exaustão, maior será a eficiência da turbina a gás. A evolução tecnológica dos fatores que afetam estes parâmetros tem promovido, nos últimos anos, o contínuo aperfeiçoamento destas máquinas. O compressor de ar consome uma parcela significativa da energia mecânica resultante da conversão da energia térmica dos combustíveis. As turbinas a gás estão disponíveis desde a potência de poucas centenas de kW até quase 300 MW. 4.4.5 Equipamentos de produção de frio Os equipamentos frigoríficos com ciclo de absorção são utilizados para produção do frio. O exemplo mostrado na figura seguinte ilustra o princípio básico de funcionamento de um destes ciclos. É mostrado um ciclo frigorífico com solução de amônia. Esta solução (de concentração elevada) é bombeada do absorvedor “A” para o interior de um trocador de calor “B” onde evapora absorvendo a energia proveniente de uma fonte quente dando origem ao vapor de amônia (em alta pressão). O vapor de amônia é conduzido ao condensador “C”, onde ao condensar cede calor que é rejeitado do processo. O líquido condensado é conduzido ao evaporador “D”, através de uma válvula de expansão, No evaporador “D” o líquido condensado evapora, extraindo calor do meio em que está contido (câmara frigorífica, por exemplo). Em seguida, o vapor de amônia a baixa pressão junta-se no absorvedor “A” com a solução, agora de baixa concentração, e se reinicia o ciclo. Figura 6 - Ciclo de refrigeração
  20. 20. Manual de Administração de Energia 20 O calor residual proveniente de algum processo ou equipamento como uma turbina ou um motor, pode ser a fonte quente desse ciclo. Neste caso o ciclo chama-se de absorção. 4.4.6 Caldeiras e equipamentos de transferência de energia térmica 4.4.6.1 Caldeiras para queima de combustíveis e produção de vapor As caldeiras são equipamentos construídos para aquecer um fluido ou produzir vapor a partir da queima de combustíveis. Nas caldeiras para vapor d’água, de acordo com as necessidades do processo, o vapor pode ser produzido nas condições de saturação ou superaquecido. As caldeiras de combustão utilizam uma gama muito extensa de combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. 4.4.6.2 Caldeira de recuperação de calor As caldeiras de recuperação são equipamentos destinados ao aproveitamento do calor residual de algum sistema ou processo, para a geração de vapor ou para aquecimento de algum fluído. São muito utilizadas em cogeração de energia elétrica e térmica, para recuperar a energia residual dos gases de exaustão de turbinas a gás ou de motores alternativos. Nas aplicações de recuperação de calor de turbinas a gás, na configuração de geração elétrica em ciclo combinado, este equipamento pode ser muito sofisticado, com múltiplas pressões, e circuitos complexos de troca de calor. Nas aplicações que exigem maior produção de vapor, maior pressão e temperatura ou maior flexibilidade de operação, são, algumas vezes dotados de queima suplementar de combustível, exaurindo ou não, o oxigênio residual da queima do combustível da turbina a gás. Dependendo da quantidade de combustível adicional pode ser necessário adição de ar para queima. Quando possível, utiliza-se como combustível suplementar, outro combustível mais barato que o da turbina a gás. Os motores alternativos de combustão interna permitem outras formas de recuperação de energia além contida nos gases de exaustão. Os circuitos de refrigeração das camisas e o sistema de resfriamento de óleo são duas outras fontes de energia recuperáveis (com temperaturas menores que a dos gases de exaustão). Nos motores alternativos, a recuperação da energia residual dos gases é feita com caldeiras mais simples em razão do seu conteúdo energético. Nos demais circuitos a recuperação é feita com trocadores de calor líquido- líquido. 4.4.6.3 Trocadores de calor Os trocadores de calor dos tipos gás-líquido, gás-gás e líquido-líquido são amplamente utilizados em instalações térmicas industriais em geral, e de cogeração em particular. 4.4.6.4 Equipamentos auxiliares São todos os equipamentos necessários para completar as instalações de cogeração, tais como: motores auxiliares, sistemas de tratamento de água e efluentes, ar comprimido, etc..
  21. 21. 21 Manual de Administração de Energia 4.4.6.5 Alternador Os alternadores são acionados por motores ou por turbinas a gás ou vapor. De acordo com a velocidade da máquina motora pode ser necessário utilizar-se de redutores de velocidade. 4.5. Tipos de cogeração A partir da fonte de calor disponível para a cogeração, esta pode ser classificada em dois grandes grupos (tipos): • A cogeração de “bottoming”; e. • A cogeração de “topping”. Na cogeração de “bottoming” o processo utiliza a energia a temperaturas mais elevadas e a energia cogerada é o resultado da recuperação do calor residual do processo. Na cogeração de “topping”, a energia utilizada (acionamento) é extraída no nível mais alto da temperatura da combustão, e a energia recuperada (cogerada) no nível mais baixo. As figuras a seguir ilustram os dois tipos: a primeira é “bottoming” e a segunda “topping”. Figura 7 – Cogeração “bottoming” e “topping” 4.6. Ciclos de cogeração A escolha de um dos sistemas apresentados a seguir, por permitirem diferentes configurações, deve levar em conta a viabilidade técnico-econômica, as necessidades estratégicas e outras variáveis como disponibilidade de água, espaço, combustível, condições ambientais, etc. 4.7. Ciclo de cogeração com turbinas a vapor Neste ciclo de cogeração a energia térmica resultante da combustão é transferida, através de caldeira, para a água que vaporiza e superaquece. O vapor superaquecido é expandido em uma turbina que aciona uma carga mecânica (ou gerador elétrico). O vapor é extraído na saída da turbina, nas condições de temperatura e pressão requeridas para o processo que utiliza este calor útil. Geralmente o fluido é devolvido à caldeira no estado de condensado para re-iniciliazar o ciclo de transferência de energia.
  22. 22. Manual de Administração de Energia 22 Figura 8 - Ciclo de cogeração com turbina a vapor Esse ciclo de cogeração permite a utilização de combustíveis mais baratos, como resíduos industriais, carvão, lenha, bagaço de cana, etc., muitas vezes os únicos disponíveis no local. 4.8. Ciclos de cogeração com turbinas a gás 4.8.1 Energia na exaustão das turbinas a gás Na saída da turbina a gás, os gases de exaustão apresentam ainda uma temperatura relativamente elevada, da ordem de 380 a 600 oC. Estes gases possuem um elevado conteúdo energético, da ordem de 50 a 70% da energia contida no combustível. A cogeração se baseia no aproveitamento de parte desta energia térmica. Dependendo das características da carga térmica, o aproveitamento pode ser maior ou menor. Os processos que utilizam temperaturas mais baixas podem aproveitar mais energia residual dos gases de exaustão. Os usos mais freqüentes para esta energia são a utilização dos gases quentes para secagem, geração de vapor através de uma caldeira de recuperação, aquecimento de fluído térmico, condicionamento ambiental, etc. 4.8.2 Cogeração com turbina a gás A figura seguinte mostra uma instalação de cogeração onde uma turbina a gás aciona um gerador que produz energia elétrica que alimenta a fábrica que hospeda a instalação. Os gases quentes da saída da turbina produzem vapor em uma caldeira de recuperação que alimenta a fábrica com esta utilidade. Figura 9 - Ciclo de cogeração com turbina a gás
  23. 23. 23 Manual de Administração de Energia 4.8.3 Geração elétrica com ciclo combinado O ciclo combinado é o processo de produção de energia elétrica utilizando turbinas a gás e turbinas a vapor. O combustível é queimado em uma turbina a gás e a energia contida nos gases de exaustão produz vapor em uma caldeira de recuperação. O vapor da caldeira de recuperação aciona uma turbina a vapor de condensação. Tanto a turbina a gás quanto a turbina a vapor acionam geradores para produção de energia elétrica, que é a única forma de energia útil retirada do sistema. Este ciclo prioriza a eficiência de conversão da energia do combustível para a energia elétrica. As grandes instalações em ciclo combinado atingem atualmente eficiências superiores a 55%. Figura 10 - Ciclo combinado 4.8.4 Cogeração com ciclo combinado Esta forma de cogeração é utilizada nas situações em que se deseja produzir energia elétrica e energia térmica úteis em quantidades variáveis de acordo com as cargas consumidoras ou para atendimento de mercados específicos. É constituído basicamente de um ciclo combinado com flexibilização da geração elétrica e de energia térmica (normalmente vapor) através da extração de vapor na turbina a vapor, condensação parcial, queima suplementar de combustível na caldeira de recuperação. Existem plantas tão flexíveis que podem operar desde a produção máxima de energia elétrica sem extração de vapor para o processo industrial até a produção máxima de vapor para processo sem produção de energia elétrica. Outra forma de cogeração deste tipo é aquela em que os acionamentos são de equipamentos mecânicos (bombas, compressores, etc.) ao invés de geradores elétricos.
  24. 24. Manual de Administração de Energia 24 Figura 11 - Ciclo combinado com cogeração 4.9. Ciclos de cogeração com motores alternativos de combustão interna Este ciclo de cogeração utiliza motores alternativos de combustão interna produzindo trabalho (energia elétrica ou acionamento mecânico) recuperando a energia térmica residual dos gases de exaustão, e eventualmente, o calor dos sistemas de lubrificação de resfriamento das camisas dos pistões. A quantidade de energia residual recuperada não é das mais expressivas, por isso sua aplicação mais freqüente é nas instalações que necessitam de pequenas quantidades de calor a temperatura moderadas e maiores quantidades de energia elétrica ou força motriz. São comuns plantas de cogeração utilizando estes ciclos, nas potências de poucas dezenas de kW até potências da ordem de 20 MW ou pouco mais. Figura 12 - Cogeração com motor alternativo A queima adicional de combustíveis pode reduzir os custos globais de operação, em determinadas situações por utilizar combustíveis mais baratos. A eficiência pode ser muito elevada, dependendo do balanço de massa e energia que se obtém em determinados projetos. A figura seguinte mostra uma configuração deste ciclo.
  25. 25. 25 Manual de Administração de Energia 4.10. Ciclos de cogeração com produção de frio Os mercados potenciais para este ciclo são: os hospedeiros da planta de cogeração, que necessitam, além da energia elétrica, de condicionamento ambiental ou sistema de refrigeração. Os equipamentos ideais para este uso são os resfriadores por absorção. A figura a seguir ilustra algumas aplicações deste tipo. Figura 13 - Cogeração com produção de frio Os equipamentos de absorção são produzidos industrialmente para capacidades de 100 até cerca de 2.000 toneladas de refrigeração por hora. São comuns os de um e de dois estágios. A figura a seguir mostra o princípio de funcionamento de um equipamento desta natureza. Figura 14 - Princípio do ciclo de refrigeração por absorção
  26. 26. Manual de Administração de Energia 26 4.11. O potencial de cogeração A determinação do potencial de cogeração associado a um processo industrial ou a uma instalação comercial envolve um conjunto de providências, das quais, as principais são listadas a seguir: • Análise e balanço de massa e de energia dos requisitos de energia térmica (nas suas diferentes modalidades), acionamentos, energia elétrica, nas condições atuais e no horizonte de vida útil do projeto; • Modelagem técnica das necessidades de energia nas condições atuais e no horizonte de vida útil do projeto; • Análise e modelagem econômica das condições de operação atuais e futuras; • Modelagem de diversas alternativas de cogeração e análise econômica destas alternativas; • Modelagem e análise do impacto ambiental provocado pela implantação deste projeto; • Assegurar o abastecimento de combustível, suprimento de utilidades necessárias à operação (por exemplo: água), dar destino aos efluentes, prover acessos, prever condições de operação e manutenção; • Se ocorrer excedentes de energia elétrica, assegurar seu mercado e condições de transporte; e • Se o projeto envolver a produção de energia elétrica, independentemente de ser auto-suficiente ou não haverá necessidade de ser prever “back-up” de energia elétrica. Para isto deve-se contratar reserva de capacidade com a concessionária local (ou com o sistema de transmissão). Este contrato e seus custos são regulados pela ANEEL. A compra da energia elétrica pode ser contratada com terceiros, com a concessionária local de distribuição de energia elétrica ou adquirida no mercado. Para que o projeto possa se viabilizar é fundamental que as garantias de suprimento de combustível, de mercado, de qualidade técnica, de operação e de manutenção sejam asseguradas. Normalmente as “receitas” destes projetos são a garantia do próprio financiamento. 4.12. As receitas da cogeração As receitas da cogeração são as resultantes da venda da energia cogerada: energia elétrica, vapor, frio, calor e eventualmente, outras utilidades tais como água tratada, ar comprimido, etc.. Dependendo da personalidade jurídica do Cogerador, a receita pode ser constituída pelo diferencial de custos entre a compra dos energéticos convencionais e os custos da energia substituída pela instalação da cogeração, como seria o caso do um Autoprodutor. 4.13. Conclusão A cogeração está sendo responsável por uma parcela significativa da energia elétrica produzida em diversos países. A elevada eficiência no aproveitamento de combustíveis aliada à proximidade do mercado da energia térmica torna alguns destes empreendimentos muito competitivos. A disponibilização de maiores volumes de gás natural às industrias e ao comércio tornam ainda mais atraentes estes empreendimentos.
  27. 27. 27 Manual de Administração de Energia As vantagens da cogeração na área industrial são mais conhecidas. As aplicações comerciais envolvendo o condicionamento ambiental são muito atrativas, principalmente quando se consideram os investimentos evitados nas instalações convencionais de produção de frio e na redução da demanda e consumo de energia elétrica possível de se obter através desta tecnologia. A decisão de se implantar cogeração em uma instalação industrial ou comercial nova ou existente depende de uma análise muito criteriosa para se determinar qual o balanço, o processo, o mercado e o dimensionamento mais conveniente e mais econômico. Muitos insucessos nos estudos de viabilidade deste tipo de instalação deveram-se a falhas nestas avaliações, e por isso, muitos projetos deixaram de ser implantados.

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